DRAM

Question: Milloin DDR2 muisti tuli markkinoille?


DRAM () on luku- ja kirjoitusmuistin tyyppi, jossa jokainen bitti tallennetaan erilliseen kondensaattoriin. Koska kondensaattorin varaus ajan myötä häviää, muisti vaatii säännöllistä virkistämistä (toisin kuin staattisessa RAM-muistissa). Lisäksi muistisolun lukeminen purkaa kondensaattorin, joten jokaisen lukuoperaation jälkeen data pitää tallentaa takaisin muistisoluun.
DRAM-muistista on kehitetty eri tyyppejä, mm. FPM, EDO, SDRAM ja DDR SDRAM.
Dynaamisten muistipiirien historia
Ensimmäinen dynaaminen integroitu muistipiiri oli Intel 1103, jonka koko oli 1kbit[1]. 1Mbit muistikoko saavutettiin 1984 ja 1Gbit 1990-luvun lopulla[2].
DRAM-protokollan yleispiirteet ja piirien rakenne
DRAM-piirien muistiosoite koostuu kahdesta osasta, rivi- ja sarakeosoitteesta.
Näihin molempiin käytetään yhteisiä osoitelinjoja. Tyypillisesti osoitteen ylimmät bitit sisältävät rivin, alimmat bitit sarakkeen.
Ensin valitaan aktivoitava rivi, ja kun muistipiiri on saanut rivin aktivoitua, sille ilmoitetaan tältä riviltä sarake, josta luetaan tai johon kirjoitetaan. 
Muistipiirien kapasiteetti ilmoitetaan tyypillisesti kilobitteinä sekä piirin datan leveytenä: esimerkiksi 2Mbit × 32 tarkoittaa 32-bittistä kahden megabitin muistia eli kahdeksan megabitin kapasiteettia. Yksi osoite viittaa siis aina dataleveyden kokoiseen datamäärään. Kun muistin leveys on jotain muuta kuin prosessorin muistiosoituksen leveys (joka on yleensä 8 bittiä), koneen muistiohjain tekee muutoksen muistin käyttämien ja prosessorin käyttämien osoitteiden välillä.
Käyttöjännite
SDRAM toimii 3,3 voltilla, FPM ja EDO (pakkaus yleensä on SIMM) toimivat 5 voltilla. 
PC-tietokoneiden vanhemmissa emolevyissä oli mahdollista käyttää sekä SDRAM DIMMejä että EDO SIMMejä. Näissä tehonsyöttö oli erikseen DIMMille ja SIMMille, mutta dataväylä oli yhdessä. Jos molempia laittaa samalle emolevylle, SDRAMin 3,3 voltin tulo tuhoutuu hetken jälkeen SIMMin 5 voltin syöttöjännitteen vuoksi.
DRAM muistityypit
DRAM-muistityyppejä on kehitetty useita eri versioita kuten: FPM, EDO, SDRAM, DDR, DDR2, DDR3 ja DDR4. 
PC-tietokoneissa nämä muistityypit ovat usein käytössä keskusmuistina ja ne liitetään tietokoneeseen muistikampoina. Muistikampoja on yksipuolisella liittimellä (SIMM) ja nykyään kaksipuolisella liittimellä (DIMM). Pieniä tietokoneita, kuten kannettavia, varten käyttöön tuli SODIMM (Small Outline Dual In-line Memory Module) liitin. Aiemmin tietokoneissa on ollut käytössä mm. ZIF liitäntäisiä muistimoduuleja.
Mobiililaitteissa kuten puhelimissa käytetään DRAM-muistien vähävirtaista versiota.[3]
PlayStation 4 käyttää vain GDDR5-muistia, joka on jaettu sekä CPU- että GPU- toimintojen välillä.
FPM
FPM () on 1990-luvun alussa esitelty muistityyppi.[4]
Se sallii lukemisen samalta riviltä jokaisesta sarakkeesta kerralla siten, että vain sarakeosoitetta muutetaan. Aiemmin muistia luettiin sekä rivi että sarake asettamalla.[4]
FPM-muistin hakuaika oli tyypillisesti 100–60ns.
FPM-muisti ei ollut synkronoitu kellosignaaliin mutta tyypillisesti sen nopeus sopi prosessorien väylänopeuteen siten että prosessorilta kului peräkkäisen datan lukemiseen väyläkellojaksoja sarjan 5-3-3-3 verran eli esimerkiksi välimuistilinjan täyttäminen muistista neljässä kellojaksossa kului kokonaisuudessaan näiden summan verran väyläkellojaksoja eli 14.
EDO
EDO () tuli käyttöön 1990-luvun puolivälissä.[5]
FPM poistaa datan lähdöstään aina, kun se alkaa hakea dataa uudesta osoitteesta. EDO pitää edellisen datan lähdössä kunnes uusi on löytynyt. Näin tarvittavien kellopulssien määrä vähenee yhdellä, ja tyypillisesti suoritin pystyy EDO-muistia lukemaan muistista kellopulssisarjalla 5-2-2-2 eli välimuistilinjan täyttäminen neljästä peräkkäisestä osoitteesta vie EDO-muistin kanssa 11 kellojaksoa.
EDO-muistit toimivat tyypillisesti 70–50ns nopeudella.
SDRAM

SDRAM () esiteltiin 1996.[6] SDRAM:in on myöhemmin syrjäyttänyt DDR SDRAM.
SDRAM vaatii samalla tavalla virkistämistä kuin tavallinenkin DRAM. SDRAM on edeltäjistään poiketen synkronoitu kellosignaaliin, mikä mahdollistaa muistiväylän paremman liukuhihnoittamisen ja siten nopeamman peräkkäisen datansiirron. Hakuaikaa SDRAM ei kuitenkaan paranna vaan saattaa jopa hiukan huonontaa (koska pitää aina odottaa kellonreunaa ennen kuin muistille voi antaa komentoja). SDRAM pystyy antamaan peräkkäistä dataa ulos peräkkäisinä kellojaksoina. SDRAMit pystyvät siis tyypillisesti antamaan peräkkäisiä data-alkioita ajoituksella 5-1-1-1 eli neljän data-alkion kokoisen välimuistilinjan täyttämiseen kuluu 8 väyläkellojaksoa.
SDRAM-muistien hakuaika ilmoitetaan kellojaksolukemina eli paljonko menee aikaa signaalin jälkeen ennen kuin piiri antaa dataa tai voidaan antaa seuraava ohjaussignaali piirille.
CL (CAS latency) on kellojaksomäärä jonka jälkeen sarakeosoitteen antamisesta piiri alkaa antaa dataa ulos. Se on tyypillisesti 2 tai 3 kellojaksoa. RAS-To-CAS latency ilmoittaa kellojaksoissa kuinka pian riviosoitteen antamisesta voidaan piirille antaa sarakeosoite. Tyypillisesti tämä latenssi on 2 tai 3 kellojaksoa.
Jos luetaan dataa täysin uudesta osoitteesta, pitää siis odottaa molempien viiveiden summan verran, mutta jos luetaan dataa samalta riviltä kuin mistä viimeksi luettiin, riittää pelkkä CAS-viive.
SDRAM-muisteja on valmistettu noin 66–200MHz kellotaajuudella, tosin koneiden keskusmuisteiksi vain 66, 100 ja 133MHz -standardeilla (alkuperäinen, PC100 ja PC133). Nopeammat ovat olleet erikoismuisteja näytönohjaimiin. Monet muistit pystyivät pienemmällä kellojaksolla toimiessaan pienempiin viiveisiin, muistin CAS-hakuaika 133 MHz:lla saattoi olla 3 kellojaksoa eli 22 ns, mutta 100 MHz:lla 2 kellojaksoa eli 20 ns.
SGRAM
SGRAM () on näytönohjaimien grafiikkamuistiin tarkoitettu erikoistunut versio SDRAMista. Esimerkkejä toiminnoista ovat "Block Write" ja "Mask Write".[7]
SGRAM muistityyppiä käytetään standardeissa kuten GDDR5.
DDR SDRAM


DDR-SDRAM () on vuonna 2000 esitelty muistityyppi.[6]
DDR-SDRAM on toiminnaltaan hyvin samanlainen kuin SDRAM-muistityyppi. Nimensä mukaisesti se kuitenkin kaksinkertaistaa siirrettävän tiedon määrän verrattaessa aiempaan SDRAM-muistiin.[6]
DDR-SDRAM käyttää kellopulssin sekä nousevaa että laskevaa reunaa tiedonsiirtoon, josta viittaus nimessä olevaan kaksinkertaistumiseen.[6]
Tyyppinimityksellään DDR-SDRAM eroaa myös edeltäjistään. 100 MHz:n muistiväylässä toimivan muistin tyyppinimi on PC1600 ja 133 MHz:n väylässä PC2100. Nimitykset tulevat muistin hetkellisestä tiedonsiirtonopeudesta ilmoitettuna yksikössä MB/s, esimerkiksi PC1600 (8 tavua × 2 × 100 MHz = 1600 MB/s) ja PC 2100 (8 tavua × 2 × 133 MHz = 2100 MB/s). Edellisistä voidaan käyttää myös vanhentuneita nimityksiä PC200 ja PC266. Nopein standardoitu DDR toimii 400 MHz:n nopeudella ja sen mallimerkintä on PC3200.
DDR2 SDRAM
Tietoa siirretään DDR2-muistissa sekä nousevalla että laskevalla kellopulssilla, kuten DDR-muistissakin.
DDR2 on suunniteltu suurta kellotaajuutta silmällä pitäen, ja muistin ydin toimii puolella kellotaajuudella ulkoiseen nähden, jolloin kellotaajuutta voidaan nostaa selvästi, koska sisäinen nopeus ei tule ongelmaksi. Lisäksi signalointia on parannettu ja jännitettä pienennetty DDR:stä.
Samalla kellotaajuudella DDR2 on kaistanleveydeltään yhtä nopeaa kuin DDR, ja hakuajoiltaan jopa hitaampaa, mutta samalla valmistustekniikalla pystytään tekemään miltei kaksinkertaisella kellotaajuudella toimivia DDR2-muisteja DDR-muisteihin nähden.
DDR3 SDRAM
DDR2:ta seuraava kehitysaskel on DDR3-muisti. DDR3-muistit on suunniteltu kasvattamaan suorituskykyä ja alentamaan tehonkulutusta DDR2-muisteihin verrattuna. DDR3 käyttää 1,5 voltin jännitettä.[8] DDR3-moduuli on ulkomitoiltaan samankokoinen kuin DDR2, mutta ei ole yhteensopiva sen kanssa. Muistimoduulin reunassa oleva lovi on eri paikassa, mikä estää muistin asentamisen DDR2-kantaan.[9]
DDR3:n sisällä on tapahtunut muutoksia. Esihakupuskuri on kahdeksanbittinen.[8] Virtavuotoja on pyritty vähentämään kaksiporttisilla transistoreilla.[8] DDR3-muistipiirit tarjoavat 64-bittisen kaistanleveyden. DDR3-muistikampoja voidaan laittaa kolme rinnakkain ja saada näin 192 bittiä leveä muistiväylä, mikäli emolevy tukee sitä.[8] DDR3-muistipiirissä sisäinen hakuaika on kahdeksasosa dataväylän datansiirtonopeudesta.[8] Muistipiiri kykenee lukemaan jokaisella sisäisellä kellojaksolla kahdeksan bittiä dataa.[8] DDR3-teknologia on muuttunut sisäisesti DDR2-teknologiasta siten että siinä missä DDR2 turvautui T-Branch-arkkitehtuuriin,[8] turvautuu DDR3 Fly-by-arkkitehtuuriin, joka on yksinkertaisempi ratkaisu kuin ensimmäisenä mainittu.[8] Fly-byssä muistipiirit ketjutetaan sarjaan.[8] Ketjun päässä on terminointi, jonka tarkoituksena on estää signaalia heijastumasta takaisin.[8] Fly-bytä käytetään, jotta päästäisiin T-branchin rajoituksista suurilla kellotaajuuksilla.[8]
DDR4 SDRAM
DDR3:a seuraava kehitys askel on DDR4. Se käyttää 1,2 voltin jännitettä. Sen kellotaajuus on alkaen 2133 MHz ja on jopa 3200 MHz.[10][11]
JEDECin standardimäärittelyn mukaan DDR4 muistin siirtonopeus on aluksi 1.6 GT/s pinnikohtaisesti mahdollistaen myöhemmin 3.2 GT/s siirtonopeuden pinnikohtaisesti.[12][11]
Muita DRAM-muistityyppejä
Muita DRAMiin perustuvia ei-yleistyneitä muistipiirityyppejä ovat SLDRAM, QDR SDRAM ja Rambus RDRAM.
Rambus
DDR-SDRAMin kilpailijana oli alkuaikoina Intelin tukema Rambus-yhtiön RDRAM, josta yhtiö päätti vuonna 1996 tulevan seuraavan muistityypin. Sitä tukeva emolevy esiteltiin 1999. DDR-SDRAM oli kuitenkin halvempaa valmistaa, lisäksi RDRAMin lisenssi, jonka vain harvat valmistajat hankkivat, oli kallis. Valmistajien vähyys lisäsi muistityyppien hintaeroa. Lisäksi vaikutusvaltaisen Tom's Hardwaren testissä RDRAMin suorituskyky oli korkeintaan 3 % parempi kuin SDRAMilla, ja joissain tapauksissa huonompi.[13] Intel luopui RDRAMista kokonaan vuoteen 2003 mennessä.
RDRAM:n ensimmäinen myyntiin tullut versio toimi 400 MHz:n kellotaajuudella ja DDR-periaatteella, jolloin sen teoreettinen kaista oli 1600 MB/s. 2×400 MHz:n toimintanopeuden vuoksi standardin nimeksi tuli PC800. Tämä nimeäminen oli myös syynä SDRAM-moduulien nimeämismuutokseen edeltävän PC133:n ja DDR:n PC1600:n välillä.
Rambus-muisti pakattiin RIMM-muistimoduuliin. Muistin rakenteen vuoksi yhtään muistikampapaikkaa ei voinut jättää tyhjäksi, vaan ne oli täytettävä CRIMM-muistikammoilla.
Uudempi Rambus-yrityksen ehdotus muistiarkkitehtuuriksi on XDR DRAM.
GDDR
GDDR on grafiikkakäyttöön kuten näytönohjaimiin erikoistunut versio DDR-muistista. GDDR-standardeja ovat esimerkiksi GDDR3 ja GDDR5.
Embedded DRAM (eDRAM)
Mikropiirille integroitu DRAM-tyyppi.
Mobile DDR
Mobile DDR (myös nimillä mDDR, Low Power DDR, tai LPDDR) on vähävirtainen versio DDR-muistista mobiililaitteisiin.
Variaatioita ovat mm. LPDDR, LPDDR2 ja LPDDR4.
Katso myös
Muistivirhe (pariteettitarkistus muistipiireissä ja ECC-muistit)
Lähteet

Kirjallisuutta
Citation error, replace with{{cite book| author = Lähteinen, Olavi; Pietikäinen, Ville; Kosonen, Harri| title = Uusi PC-tekniikan käsikirja| publisher = Helsinki Media Erikoislehdet| year = 2000 (1997)| version = 6. painos| id = ISBN 951-832-015-9| pages = 251-268}}
Luokka:Muistit
Luokka:Seulonnan keskeiset artikkelit